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【硬件】芯片温度/功耗计算

2023-05-16

本博客参考：一纸沙漏的博客

芯片的四个温度

内核温度、封装表面温度、空气周边温度以及PCB板温度。

TJ（Die Junction Temp）

芯片的硅核温度，就是芯片内部核心的温度，从英文缩写就可以看出，这是个死亡温度，设计者是绝对不能跨越的。

Ta （Ambient Air Temp）

芯片周围的空气温度。不带散热片的小功率器件一般以这个为计算参数。

Tc（Package Case Temp）

芯片封装表面温度。带散热片的大功率器件一般以这个为技术参数。

Tb（Ambient board Temp）

安装芯片的PCB表面温度。

 

最重要的概念：热阻

热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。计算公式：

 上式中，T1为物体一端的温度、T2为物体另一端的温度以及P为发热源的功率。两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，如下图：

在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙 层，与理想中真正完全接触相比，这种附加的热传递阻力称为接触热阻。降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料（如硅脂）填充界面间的空气。在涉及热传导时，一定不能忽视接触热阻的影响，需要根据应用情况选择合适的导热界面材料，如导热脂、导热膜、导热垫等。器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内部结构计算得到。

三个重要的热阻：

(1)   热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，

(2)   热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，这个是最常用和有用的热阻。

(3)   热阻Rjb：芯片的热源结与PCB板间的热阻.

由下图的热阻#模型可以清晰看出，芯片内核的发热路径是：核心—封装表面——PCB——空气。

什么是节温

结温是处于电子设备中实际半导体芯片（晶圆、裸片）的最高温度。它通常高于外壳温度和器件表面温度。结温可以衡量从半导体晶圆到封装器件外壳间的散热所需时间以及热阻。

什么是最高节温

可用来计算在给定功耗下器件外壳至环境的热阻，如果器件工作温度超过最高结温，器件中的晶体管可能会被破坏，器件也随之失效，故应采用各种途径降低结温或者让结温产生的热量尽快的发散到环境中。一个芯片的结温估计值:

热阻·计算

我们当前设计的功率条件下，当前实测的芯片封装温度是否满足最大结温的要求。读者一定要认真读这句话，包含3个含义：

(1)   当前的设计功率：因为我们的设计往往都不是在最大功率下，而是有降额，例如一个NMOS最大可以3A，实际我们最大是1A，按照当前1A计算功耗的温度才有意义。

(2)   芯片的封装温度Tc：因为测试芯片温度的方法有很多，内核温度Tj测试基本是不可能的，最容易最简单就是直接测试芯片封装表面或者空气的温度，计算热阻的路径也最简单。

(3)   满足最大结温要求：我们所有的计算目的，就是将当前的功率、当前的表面温度，折算成芯片内部的核心温度Tj，一般厂家都会给出Tj，即使不给 Tj，我们可以根据硅管最大结温150估算。

举例：

三极管的实际使用功率是1.2W，实际测试到的壳温是Tc = 60，请问温度是否超标？

根据公式: Tc（max） = Tj -  P * Rjc，Tj = 60 + 1.2*83.3=159.96，芯片内核温度超过了芯片的结温，设计是不合理的。

大功率半导体热阻计算：芯片封装表面温度Tc。

功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其表面到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度.功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175度。但是为了保险起见，一律可以按150度来计算（规格书有数值是以厂家数据为准）。适用公式：Tc =Tj - P*Rjc.设计时，Tj最大值为150，Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。

以DRV8312为例：

第一降额温度85；最大结温150；热阻24.5

85 = 150 -P*24.5 = P = 2.6W，故该芯片允许最大功率为2.6W；

该芯片输入12V;

静态功耗计算：

TYP :  (IVDD+IGVDD+IPVDD)*12V = 0.0114A*12V=0.1368W

MAX:  (IVDD+IGVDD+IPVDD)*12V = 0.0155A*12V=0.186W

50%占空比功耗计算：

(IVDD+IGVDD+IPVDD)*12V = 0.234W

MOS工作时功耗计算：

Rds压降为1V，俯仰电机消耗电流21mA，方位电机消耗电流为42mA;

一个芯片工作室可按照平均3个MOS导通，功耗为3*0.021*1=0.063W

一个芯片工作室可按照平均3个MOS导通，功耗为3*0.042*1=0.126W

故俯仰电机驱动芯片的功耗为：0.234W+0.063W = 0.297W

故方位电机驱动芯片的功耗为：0.234W+0.126W = 0.36W

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